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La transplantation de génomes bactériens : mais où est la limite ?

Des chercheurs de l’Inra Bordeaux-Aquitaine développent des travaux novateurs en biologie de synthèse qui visent notamment à étendre le processus de transplantation de génomes bactériens à de nouvelles bactéries. Ces recherches permettent d’imaginer de nouvelles pistes dans la mise au point de vaccins innovants en médecine humaine et vétérinaire, mais aussi de découvrir de nouvelles molécules à haute valeur ajoutée (métabolites, nouveaux antibiotiques) en favorisant, par exemple, la mise en culture de bactéries encore non cultivées.

Colonie de mycoplasmes (Mycoplasma mycoides subsp. capri). © Inra, F. Labroussaa
Mis à jour le 08/12/2016
Publié le 08/12/2016

La Biologie de synthèse, une nouvelle façon de penser et de faire la Biologie

La biologie de synthèse, discipline scientifique émergente, combine les apports de la biologie et de l’ingénierie. En regroupant un ensemble de disciplines complémentaires, elle a déjà trouvé de nombreuses applications notamment dans les biotechnologies industrielles mais aussi dans le domaine de la santé et de l’agriculture. Pour cela, elle a favorisé le développement d’un ensemble de méthodologies et d’outils moléculaires dans le domaine de l’ingénierie génomique. Il est ainsi possible aujourd’hui de modifier l’information génétique de bactéries qui, jusque-là, résistaient à toute modification. Une des clés de ce succès repose sur l’utilisation de la levure, Saccharomyces cerevisiae, comme « atelier » pour la modification des génomes bactériens. Étudiée depuis des décennies en tant qu’organisme modèle, la levure possédait un arsenal d’outils génétiques déjà développés. En réussissant à cloner un chromosome bactérien entier à l’intérieur de cette levure, les chercheurs n’avaient plus qu’à modifier les outils génétiques déjà existants chez la levure pour les adapter à la modification de l’ADN bactérien. Un ensemble de technologies de modification de l’ADN (TREC/TREC-IN, CRISPR-Cas9, etc.) a vu le jour et permet aujourd’hui de modifier les génomes bactériens quasiment à façon.   

En revanche, une problématique de taille devait encore être dépassée. En effet, le génome bactérien est complètement inerte dans la levure, celle-ci étant incapable d’en décoder l’information génétique. Aucun gène ne peut alors s’exprimer dans son hôte temporaire. Une fois modifiés, ces génomes bactériens doivent donc être obligatoirement « re-transplantés » dans une nouvelle cellule bactérienne afin que les modifications apportées puissent être étudiées.

La mécanique de transplantation d’un génome bactérien entier

Ce processus a été mis au point avec des bactéries possédant les génomes les plus « petits » existants. Ces bactéries, de la classe des Mollicutes, comprennent néanmoins de nombreux agents pathogènes pour l’Homme, les animaux ou encore les plantes. Dans un premier temps, le génome entier de la bactérie donneuse est immobilisé dans un gel  qui permet de le protéger des cassures mécaniques et de le conserver intact. L’ADN est par la suite mis en contact étroit avec une seconde bactérie dite receveuse. Le mécanisme exact permettant l’entrée du chromosome bactérien entier est encore inconnu mais la présence d’un agent fusogène, le poly-éthylène glycol, est nécessaire à la réaction. Une fois « transplanté », le génome  « entrant » remplace le génome de la cellule receveuse et devient le nouveau système opérateur de la cellule receveuse qui peut alors exprimer ses gènes et ses protéines et changer d’identité.

Principe de la transplantation de génomes bactériens. Le génome entier de la bactérie A, cloné puis modifié dans la levure S. cerevisiae, est transplanté dans une cellule receveuse (espèce bactérienne B). Les transplants bactériens ainsi obtenus possèdent au final toutes les caractéristiques morphologiques et génétiques de la bactérie A.. © Inra, Fabien Labroussaa / UMR BFP
Principe de la transplantation de génomes bactériens. Le génome entier de la bactérie A, cloné puis modifié dans la levure S. cerevisiae, est transplanté dans une cellule receveuse (espèce bactérienne B). Les transplants bactériens ainsi obtenus possèdent au final toutes les caractéristiques morphologiques et génétiques de la bactérie A. © Inra, Fabien Labroussaa / UMR BFP

Les chercheurs de l’Unité mixte de recherche Biologie du Fruit et Pathologie (UMR BFP 1332) ont tenté d’étendre les méthodes de transplantation de génomes bactériens à des espèces bactériennes plus éloignées ayant un intérêt dans divers domaines : biotechnologie, agronomie ou santé. Ils ont évalué le degré de parenté nécessaire entre des génomes donneurs et la cellule receveuse au cours d’une transplantation de génomes entiers, et mis en évidence les facteurs génétiques essentiels à cette compatibilité. Leurs résultats montrent que plus le génome donneur est proche de celui de la cellule receveuse, plus l’efficacité de transplantation est élevée. Les auteurs s’attachent maintenant à comprendre les différences entre les génomes de ces deux genres bactériens, notamment au niveau des fonctions essentielles de la cellule bactérienne (ex. : réplication, transcription) afin de comprendre ce qui permet ou empêche le processus de transplantation. Cette compréhension essentielle du mécanisme moléculaire est indispensable pour repousser encore cette limite de transplantation à d’autres espèces bactériennes encore plus éloignées phylogénétiquement.

Colonies de mycoplasmes au cours du processus de transplantation observées à la loupe binoculaire. Phénotypes de la cellule receveuse McapΔRE (A) ainsi que de chaque espèce de transplants bactériens obtenus : Mcap (B), M. leachii (C), Mmc (D), Mmm (E), M. putrefaciens (F) et M. florum (G). Echelle 100µm.. © Inra, Fabien Labroussaa / UMR BFP
Colonies de mycoplasmes au cours du processus de transplantation observées à la loupe binoculaire. Phénotypes de la cellule receveuse McapΔRE (A) ainsi que de chaque espèce de transplants bactériens obtenus : Mcap (B), M. leachii (C), Mmc (D), Mmm (E), M. putrefaciens (F) et M. florum (G). Echelle 100µm. © Inra, Fabien Labroussaa / UMR BFP

A la recherche de la molécule miracle ?

Ce résultat est une avancée importante pour la communauté scientifique. La prolongation de ces travaux permettra d’obtenir de nouvelles paires « génome donneur/cellule receveuse », dont certaines pourraient avoir un intérêt majeur.

Le transfert des méthodes de transplantation de génomes aux genres Phytoplasma/Acholeplasma, associée à une stratégie de complémentation génomique, pourrait permettre de rendre cultivables certaines bactéries encore non cultivées comme les phytoplasmes, bactéries phytopathogènes transmises par les insectes et responsables de plusieurs centaines de maladies majeures partout dans le monde.

Par ailleurs, en permettant la mise en culture de nouveaux microorganismes non cultivés, ces travaux stimuleront la découverte et la production de nouvelles molécules à haute valeur ajoutée pour la biotechnologie, la médecine et à fort potentiel économique. Quand on sait qu’aujourd’hui 70% des antibiotiques existants sont produits à partir de seulement 1% des bactéries cultivables répertoriées, on comprend immédiatement les perspectives que pourraient offrir ces travaux.

Référence scientifique

Labroussaa F., Lebaudy A., Baby V., Gourgues G., Matteau D.,  Vashee S., Sirand-Pugnet P., Rodrigue S., Lartigue C. (2016) « Impact of donor–recipient phylogenetic distance on bacterial genome transplantation », Nucleic Acids Research, doi: 10.1093/nar/gkw688